一種水質(zhì)綜合生物毒性遠程自動分析儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種水質(zhì)綜合生物毒性遠程自動分析儀，包括水質(zhì)綜合生物毒性分析裝置、數(shù)據(jù)發(fā)送裝置以及數(shù)據(jù)接收和顯示裝置，水質(zhì)綜合生物毒性分析裝置用于監(jiān)測采樣液中的有毒物質(zhì)對生物發(fā)光桿菌發(fā)光強度的抑制程度；數(shù)據(jù)發(fā)送裝置用于將發(fā)光強度信息以無線的方式發(fā)送給設(shè)置在遠端的數(shù)據(jù)接收和顯示裝置，數(shù)據(jù)接收和顯示裝置對發(fā)光強度信息進行數(shù)據(jù)處理后確定污水毒性的污染等級，并將結(jié)果信息顯示出來。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明采用無線遠程數(shù)據(jù)傳輸，避免以往有線數(shù)據(jù)傳輸電路時傳輸電路故障問題，維護方便，同時能夠遠程對獲取的數(shù)據(jù)進行分析得到現(xiàn)場水質(zhì)的狀況，能適用于較惡劣的遠程自動檢測，可以作為單機使用，也可以充當檢測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分節(jié)點。
【專利說明】
一種水質(zhì)綜合生物毒性遠程自動分析儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及水質(zhì)監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種水質(zhì)綜合生物毒性遠程自動分析 儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了適應(yīng)環(huán)境監(jiān)測的需要，解決生物毒性監(jiān)測存在的繁瑣、費時、費用高及重復(fù)性 和靈敏度等方面的問題。國內(nèi)一直在不斷改進生物毒性的測試方法，使其快速、靈敏、經(jīng)濟 易行、從六十年代中期開始研究用發(fā)光細菌監(jiān)測環(huán)境污染，到七十年代法中成為比較成熟 的測試技術(shù)。以美國、英國、蘇聯(lián)、日本、澳大利亞等國家的學(xué)者研究應(yīng)用較多，有的項目已 經(jīng)申請了專利，八十年代以來美國的貝克曼一起公司在這方面的研究取得了突破性的進 展。他們研制了專門的測試儀器和發(fā)光細菌試驗配套，在應(yīng)用發(fā)光細菌測定有毒物質(zhì)的生 物毒性方面作了許多成功的研究。使得此法得到很快發(fā)展的推廣。近年來，我國學(xué)者對發(fā)光 細菌的研究和應(yīng)用作了大量工作，研制生產(chǎn)了專門的測試儀器，建立了發(fā)光細菌法生物毒 性測試系統(tǒng)(LB系統(tǒng)），為發(fā)光菌毒性監(jiān)測在我國的推廣應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。
[0003] 但是上述以往利用發(fā)光細菌制作的測試儀器存在以下一些問題：如貝克曼公司生 產(chǎn)的專門的測試儀器和發(fā)光細菌試驗配套，但屬于試驗內(nèi)使用，價格高昂且對環(huán)境的要求 過于苛刻。北美儀器生產(chǎn)的在線自動分析采用分是C0D和B0D方法，也只停留在實驗室使用 的底層上。國內(nèi)華東師范大學(xué)生物系和南京晶體管廠曾生產(chǎn)出利用發(fā)光細菌制作的測試儀 器，但它是屬于手動取樣，人工讀取數(shù)據(jù)、斷續(xù)性測試方式，非在線式的只能在是現(xiàn)實連同 冷凍設(shè)備組合工作。哈爾濱醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院衛(wèi)生毒理學(xué)教研室曾報道生產(chǎn)急性毒性 發(fā)光細菌傳感器和急性毒性快速測試儀，設(shè)計一種用明亮發(fā)光桿菌與硅光二極管組成的 急性毒性細菌發(fā)光傳感器和流通式微機化快速測定環(huán)境污染物急性毒性測定儀，只能實現(xiàn) 定性測試的目的，不能實現(xiàn)在線測試功能和對比濃度分析試驗判斷污水的毒性等級。沈陽 七彩科技工程公司研制生產(chǎn)的CWDZF-1型城市污水生物毒性在線自動分析儀（專利號為 2004100213555)具有現(xiàn)場在線測試和對抗惡劣環(huán)境等優(yōu)點，特別適合用于城市污水生物綜 合毒性的檢測，但它存在如下的不足和缺點：
[0004] 1、CWDZF-1型在線分析儀由于沒有在線活化裝置，因此每一次檢測所需要的發(fā)光 菌都是事先活化好后，再注入到儀器中，因為菌的壽命是有限的，最長壽命是117小時，所以 連續(xù)測試不需要人為干預(yù)的時間最長就是5天，根據(jù)發(fā)光菌生命曲線探測結(jié)果表明，發(fā)光菌 最好的發(fā)光時間是活化開始20小時到36小時這段時間，CWDZF-1型分析儀沒有解決最佳生 命周期和盡可能延長連續(xù)監(jiān)測的問題。
[0005] 2、CWDZF-1型在線分析儀管路使用醫(yī)用導(dǎo)管和醫(yī)用容器瓶，利用吊鹽水的原理實 現(xiàn)發(fā)光菌的注入，會出現(xiàn)在管道內(nèi)部出現(xiàn)其他細菌而與發(fā)光菌爭資源的問題。從而影響檢 測結(jié)果的準確性。
[0006] 3、CWDZF_1型在線分析儀原來只有一個溫區(qū)，不能很好保證發(fā)光菌的活性處于最 佳狀態(tài)，所以測試過程中的發(fā)光菌的發(fā)光強度不足，影響檢測質(zhì)量。
[0007] 4、CWDZF-1型在線分析儀原來測試單元采用上下移動光電倍增管的點擊結(jié)構(gòu)，使 得測試單元轉(zhuǎn)動與光電倍增管上下移動共同存在，測試時間長，每個測試試管被測到的數(shù) 據(jù)少。
[0008] 5、CWDZF-1型在線分析儀的測試單元轉(zhuǎn)動后，向試管內(nèi)注入液體不易準確，特別是 當光電倍增管非頭與試管不直接對應(yīng)，由于光電倍增管點擊的上下移動，會損害光電倍增 管。影響檢測的可靠性。
[0009] 6、CWDZF-1型在線分析儀不能實現(xiàn)遠程的檢測分析，必須要在現(xiàn)場才能獲取數(shù)據(jù)， 尤其是天氣惡劣時，工作人員必須要待在采集處進行工作，采集不方便，不能在遠程接受和 分析數(shù)據(jù)，。
[0010] 7、CWDZF-1型在線分析儀不能夠?qū)崿F(xiàn)多節(jié)點采集，不能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)化。
[0011] 故，針對目前現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述缺陷，實有必要進行研究，以提供一種方案， 解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種精確度高、穩(wěn)定性好、可靠性高、能夠遠程 實時性的監(jiān)測的水質(zhì)綜合生物毒性遠程自動分析儀，以解決上述問題。
[0013] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0014] -種水質(zhì)綜合生物毒性遠程自動分析儀，包括水質(zhì)綜合生物毒性分析裝置、數(shù)據(jù) 發(fā)送裝置以及數(shù)據(jù)接收和顯示裝置，其中，水質(zhì)綜合生物毒性分析裝置用于監(jiān)測采樣液中 的有毒物質(zhì)對生物發(fā)光桿菌發(fā)光強度的抑制程度;所述數(shù)據(jù)發(fā)送裝置用于將發(fā)光強度信息 以無線的方式發(fā)送給設(shè)置在遠端的數(shù)據(jù)接收和顯示裝置，所述數(shù)據(jù)接收和顯示裝置對發(fā)光 強度信息進行數(shù)據(jù)處理后確定污水毒性的污染等級，并將結(jié)果信息顯示出來；
[0015] 所述水質(zhì)綜合生物毒性分析裝置包括儀器殼體、發(fā)光菌的培植單元、發(fā)光菌發(fā)光 強度采集和存儲單元、發(fā)光菌發(fā)光強度傳輸單元，數(shù)據(jù)接受單元和數(shù)據(jù)顯示單元。
[0016] 優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)接收和顯示裝置對發(fā)光強度信息進行數(shù)據(jù)處理后確定污水毒性 的污染等級包括以下步驟：
[0017] 步驟1:通過基于數(shù)值相近原則的曲線擬合算法對發(fā)光強度信息進行數(shù)據(jù)處理，即 利利用最小二乘解法得到曲線擬合的參數(shù)方程得到模型 71，并求出精確值；
[0018] 步驟2:通過基于形態(tài)相似原則的曲線擬合算法對發(fā)光強度信息進行數(shù)據(jù)處理：
[0019] (1)設(shè)時間影響因子為A，反應(yīng)發(fā)光菌活性受存活時間的量。設(shè)形態(tài)相似擬合曲線 ：y2(x) =ao+aix+a2X2+. . .+anxn；
[0022] (3)構(gòu)造出帶參數(shù)的增廣目標函數(shù)，當滿足約束條件時，等號兩邊成立；當不滿足 約束條件范圍時，取一個充分大的數(shù)y>〇,構(gòu)造如下的函數(shù)：
[0024]式中a={ai，a2, ? ? ?，an，M ;
[0025 ] (4)通過powe 11算法的求解函數(shù)極值：
[0026]步驟a:選定初始點x(())，n個線性無關(guān)的向量組，組成初搜索方向組{p'p1，. . . .pn 1。給定精度￡>〇,置k = 0;
[0027]步驟b:令/ = 依次沿{p'p1，... .p1-1}中的方向進行一堆搜索，
[0028]對應(yīng)得到輔助迭代點/，y2，…? /，即
[0030]式中氏為沿pH方向的步長；
[0031]步驟c:構(gòu)造加速方向，令pn=yn-yQ，若| |pn| |彡￡，則停止迭代，輸出xk+1 = yn，否則 轉(zhuǎn)步驟d;
[0032]步驟d:確定調(diào)整方向：求出m，使得
[0033] f(ym_1)-f(ym)=rnax{ | f (ym_1)-f (ym) 11^ j^n}
[0034] 若下式成立：
[0035] f(y0)-2f(yn)+f(2yn-y 0)<2[f(ym^)-f(ym)],
[0036]轉(zhuǎn)到步驟d)，否則轉(zhuǎn)步驟e);
[0037] 步驟e :$xk+1 = yn+仏pn，幾1/ + 八?1^幾1，％-你"同時，令
[0038] {p'p1，--pn_1}k+i={p°, . . . ,pm_1,pm+1,--pn-轉(zhuǎn)步驟b);
[0039] 步驟f:令#1 = /，置k = k+l轉(zhuǎn)步驟b;
[0040] (5)通過powell算法，求出ai，a2,......,an，考慮到ao為直流分量，不會影響擬合 曲線的形態(tài)，代入式y(tǒng)2(x)=ao+aix+a2X2+. ? .+anxn中，采用最小二乘法求ao,得到基于形態(tài)相 似準則的曲線擬合算法y2。利用相關(guān)系數(shù)公式求出精確度：
[0042]步驟3:從以上的兩個步驟，分別得出曲線擬合模型yi，y2，構(gòu)造改進的曲線擬合模 型為:y(x) = wiyi(x)+W2y2(x)，其中0〈wi<l，0〈W2<1，wiw2依據(jù)求出的精確度值；
[0043]步驟4:采用Fabonacci法進一步的優(yōu)化已求出的各項系數(shù)，使其更加接近最優(yōu)值；
[0044] 具體步驟如下：
[0045] 1)設(shè)第j個離散點與擬合曲線上對應(yīng)值的偏差為
[0047]根據(jù)上式可以求出，n個離散點中的最大正偏差點(L a_)和最大負偏差點 (夂，則第m次方系數(shù)am的初始區(qū)間[心，為
[0050] 2)先判斷ai在初始區(qū)間[Ai，Bi]是單峰函數(shù)，求出的最佳aT就是ai在區(qū)間[Ai，Bi]中 的近似極小(大)值，即 &1在[心沖]區(qū)間應(yīng)嚴格遞減(增），在[aTA]上應(yīng)嚴格遞增(減），采用 Fabonacci法對其進行優(yōu)化；
[0051] 3)根據(jù)最佳擬合曲線的最大正、負偏差的絕對值近似相等，則偏差取兩者之和的 一半，即
[0053]由此可得最佳常系數(shù)為
[0055] 步驟5:利用得到的改進擬合曲線y結(jié)合本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中預(yù)存的專家系統(tǒng)，進行曲 線匹配，分別得到改進擬合曲線的擬合系數(shù)B與專家系統(tǒng)中發(fā)光菌與不同種類、濃度的毒性 物質(zhì)各反應(yīng)機理曲線的擬合系數(shù)A，求取擬合系數(shù)B與各擬合系數(shù)集A之間的距離，系數(shù)最小 的將為所預(yù)測的毒性物質(zhì)。
[0056] 相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明采用無線遠程數(shù)據(jù)傳輸，避免以往有線數(shù)據(jù)傳輸電路時 傳輸電路故障問題，維護方便，同時能夠遠程對獲取的數(shù)據(jù)進行分析得到現(xiàn)場水質(zhì)的狀況， 能適用于較惡劣的遠程自動檢測，可以作為單機使用，也可以充當檢測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分節(jié)點。 數(shù)據(jù)處理中通過植入改進的曲線擬合算法，以Fabonacci法進一步優(yōu)化改進的曲線擬合模 型的各項系數(shù)，實現(xiàn)毒性物質(zhì)成分和濃度的預(yù)測；同時本發(fā)明還考慮磁力攪拌時間、培養(yǎng)溫 度、培養(yǎng)時間、暴露時間及pH值范圍對結(jié)果測定值的作用下，分析各條件對發(fā)光菌生物毒性 實驗的影響，從而提高分析儀測量精度、穩(wěn)定性的同時實現(xiàn)遠程在線監(jiān)測。
【附圖說明】
[0057]圖1為本發(fā)明的水質(zhì)綜合生物毒性遠程自動分析儀的總體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0058] 圖2為本發(fā)明中水質(zhì)綜合生物毒性分析裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0059] 圖3為本發(fā)明中無線發(fā)送裝置的的結(jié)構(gòu)框圖；
[0060] 圖4為本發(fā)明中數(shù)據(jù)接收和顯示裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0061] 圖5為改進型的曲線擬合模型之間的對比。
【具體實施方式】
[0062]以下是本發(fā)明的具體實施例并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的描述， 但本發(fā)明并不限于這些實施例。
[0063] 參見圖1，所示為本發(fā)明的水質(zhì)綜合生物毒性遠程自動分析儀的總體結(jié)構(gòu)示意圖， 包括水質(zhì)綜合生物毒性分析裝置、數(shù)據(jù)發(fā)送裝置以及數(shù)據(jù)接收和顯示裝置，其中，水質(zhì)綜合 生物毒性分析裝置用于監(jiān)測采樣液中的有毒物質(zhì)對生物發(fā)光桿菌發(fā)光強度的抑制程度;所 述數(shù)據(jù)發(fā)送裝置用于將發(fā)光強度信息以無線的方式發(fā)送給設(shè)置在遠端的數(shù)據(jù)接收和顯示 裝置，所述數(shù)據(jù)接收和顯示裝置對發(fā)光強度信息進行數(shù)據(jù)處理后確定污水毒性的污染等 級，并將結(jié)果信息顯示出來。
[0064] 參見圖2,所示為本發(fā)明的水質(zhì)綜合生物毒性分析裝置，其測試原理如下：
[0065] 系統(tǒng)通過控制電機13的轉(zhuǎn)動來改變試管的位置。當試管圓盤57處于初始位置時光 電霍爾開關(guān)8輸出一個低電平的信號，否則輸出的為高電平信號。每次測試開始前和測試完 時，系統(tǒng)都會對光電霍爾開關(guān)8的輸出信號做檢測。如果信號為高電平則采用合理的定位算 法轉(zhuǎn)動電機13來為試管盤定位，使其回到初始位置。光電霍爾開關(guān)8和步進電機結(jié)合使用能 很好地定位試管圓盤57從而實現(xiàn)試管的定位。光電倍增管8位于4號試管9的一側(cè)，它能采集 發(fā)光菌發(fā)出的光信號，并將光信號轉(zhuǎn)換為微弱的電信號供控制系統(tǒng)采集處理。在試管圓盤 57處于初始位置時，1號試管61對準添加待測液管56，2號試管59對準清水管55，3號試管10 對準緩沖液管11，4號試管9對準菌液管12,同時4號試管還對準了光電倍增管8。添加菌液管 12與活化后發(fā)光菌存儲罐17相連，系統(tǒng)通過開閉添加菌液流量控制電磁閥來向試管中添加 定量的菌液。緩沖液管11和緩沖液存儲罐36相連，通過控制流量電磁閥向試管中添加定量 的緩沖液。清水管55與水栗管或者自來水管相連隨時供水，系統(tǒng)通過開關(guān)流量控制電磁閥 來向試管添加清水，用于沖洗試管。待測液管56與待測液缸51相連，系統(tǒng)可以通過流量控制 電磁閥的開閉來向試管中添加定量的待測液。待測液缸與水栗相連，水栗會一直向待測液 缸中送待測液以保持待測液缸中的待測液為最新的。待測液缸51的上側(cè)有溢流口與溢流管 53相連，待測液可以通過溢流管53流到其它地方以防止待測液缸的待測液外溢。排放管2、 3、64、65下邊有廢水槽1，測試完試管中的廢液和清洗試管的液體都將被排到廢水槽1中。 [0066]分析儀內(nèi)上部設(shè)置有凍干粉存儲容器、緩沖液釜、營養(yǎng)液罐等容器，用于存儲活化 發(fā)光菌時必需的原料和試劑。儀器中部設(shè)置有活化菌釜、活化后菌液存儲釜和污水缸，分別 用于菌液活化，測試用菌液和待測液體的存儲。儀器下部設(shè)置有毒性分析測試裝置，主要包 括用于精密定位的二相混合式步進電機、樣本容器盤、光電檢測裝置和測試容器清洗裝置 等。整個儀器間通過各種管路相連，液體的添加和添加量的控制由流量電磁閥來控制完成。 [0067]啟動溫差電制冷器和溫度檢測傳感器調(diào)整測量暗室內(nèi)待測樣品溫度恒定在20°C 左右。使用污水栗多采樣點分時自動采集水質(zhì)并混合均勻，通過導(dǎo)流電磁閥控制污水樣品 進入測量暗室，通過自動控制定量藥品注射器自動定量加注活化的發(fā)光桿菌，對測量暗室 內(nèi)的污水樣品和發(fā)光桿菌注氮氣混合，啟動光電倍增管進行15min連續(xù)測量，測量數(shù)據(jù)臨時 保存并通過數(shù)據(jù)發(fā)送裝置以無線方式傳輸至數(shù)據(jù)接收和顯示裝置，數(shù)據(jù)接收和顯示裝置對 數(shù)據(jù)進行分析處理并非易失性存儲，用點陣液晶模塊現(xiàn)場顯示處理后的圖形及分析結(jié)果， 分析儀進行管路自動清洗等待下一次測量開始。
[0068]參見圖3,所示為為本發(fā)明中無線發(fā)送裝置的的結(jié)構(gòu)框圖，水質(zhì)綜合生物毒性分析 裝置將采集到的反映水質(zhì)情況的數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)發(fā)送控制模塊（1)，控制模塊(1)對傳感器 發(fā)送的數(shù)據(jù)進行處理，控制水質(zhì)信號指示燈(5)亮，燈亮的越多，表示水質(zhì)越不好。將處理后 的數(shù)據(jù)通過WiFi發(fā)送模塊(3)發(fā)送給WiFi接收模塊(7)，信號指示燈(2)指示當前數(shù)據(jù)發(fā)送 是否工作正常，若工作正常，信號指示燈(2)亮，信號指示燈(4)顯示傳感器數(shù)據(jù)接收是否正 常，若傳感器數(shù)據(jù)接收正常，則信號指示燈(4)亮。
[0069] 參見圖4,所示為本發(fā)明中數(shù)據(jù)接收和顯示裝置的結(jié)構(gòu)框圖。WiFi接收模塊(7)接 收WiFi發(fā)送模塊(3)發(fā)送的數(shù)據(jù)，紫外燈(8)用于顯示數(shù)據(jù)是否接收正常，若數(shù)據(jù)接收正常， 則紫外燈(8)亮。電源開關(guān)(9)控制整個數(shù)據(jù)和接收模塊開關(guān)?？刂撇糠郑?1)將接受到的數(shù) 據(jù)進行處理，如果是多節(jié)點，將各個節(jié)點的數(shù)據(jù)進行分析處理，將分析處理結(jié)果在LCD顯示 屏（10)上顯示出來，并顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)。
[0070] 其中，在數(shù)據(jù)接收和顯示裝置中對發(fā)光強度信息進行數(shù)據(jù)處理的步驟如下：
[0071] 1、基于數(shù)值相近(最小二乘法)與形態(tài)相似結(jié)合的曲線擬合算法，利用兩種算法的 精確度值作為改進算法模型中的權(quán)重，并引入時間影響因子和Powell算法。解決了數(shù)值相 近(最小二乘法）原理的擬合速度，時間因素對發(fā)光菌活性影響以及利用權(quán)重值優(yōu)勢避免 powel 1算法的前n個搜索方向必須線性無關(guān)等問題。該改進算法的基本流程如下：
[0072] 基于數(shù)值相近原則的曲線擬合算法：
[0073] 利用最小二乘解法得到曲線擬合的參數(shù)方程得到模型71，并求出 精確值。
[0074] 基于形態(tài)相似原則的曲線擬合算法：
[0075] 設(shè)時間影響因子為A，反應(yīng)發(fā)光菌活性受存活時間的量。設(shè)形態(tài)相似擬合曲線為： y2(x) =ao+aix+a2X2+. . .+anXn〇
[0078]采用罰函數(shù)的外點法將該問題的求解轉(zhuǎn)化為解無約束極值問題。構(gòu)造出帶參數(shù)的 增廣目標函數(shù)，當滿足約束條件時，等號兩邊成立，當不滿足約束條件范圍時，等式取值很 大。取一個充分大的數(shù)y>〇，構(gòu)造如下的函數(shù)：
[0080]式中a={ai，a2, ? ? ?，an，M
[0081 ]以下是powell算法的求解函數(shù)極值的步驟：
[0082]選定初始點x(())，n個線性無關(guān)的向量組，組成初搜索方向組{p'p1，....廣M。給定 精度￡>〇,置k = 0。
[0083]令yQ = xk，依次沿{p'p1，--pn-1}中的方向進行一堆搜索，
[0084]對應(yīng)得到輔助迭代點/，y2，…? /，即
[0086] 式中氏為沿pH方向的步長。
[0087] 構(gòu)造加速方向。令pn = yn-yQ，若| |pn| |彡￡，則停止迭代，輸出xk+1 = yn，否則轉(zhuǎn)步驟 d) 〇
[0088] 確定調(diào)整方向：求出m，使得
[0089] f (y^^-f (yffi)=max{ | f (y^1)^(ym) | 1^ j^n}
[0090] 若下式成立：
[0091] f(y0)-2f(yn)+f(2yn-y°)<2[f(y m_1)-f(ym)],
[0092]轉(zhuǎn)到步驟d)，否則轉(zhuǎn)步驟e)。
[0093] 令 xk+1 = yn+0npn，?/'(/ + AZ) = I^/(/ +讒")同時，令
[0094] {p'p1，----pn_1}k+i= {p°, . . . ,pm_1,pm+1,----pn-轉(zhuǎn)步驟b)。
[0095] 令#+1 = /\置 k = k+l 轉(zhuǎn)步驟 b)。
[0096]根據(jù)powell算法，求出ai,a2,......,an，考慮到ao為直流分量，不會影響擬合曲線 的開多態(tài)，代入式y(tǒng)2(x)=ao+aix+a2X2+. ? .+anxn中，采用最小二乘法求ao。因此得至丨」基于開多態(tài)相 似準則的曲線擬合算法y2。利用相關(guān)系數(shù)公式求出精確度：
[0098]從以上的兩個步驟，分別得出曲線擬合模型yi，y2，構(gòu)造改進的曲線擬合模型為:y (x) =wiyi(x)+W2y2(x)，其中0〈wi<l，0〈W2<1，wiw2依據(jù)求出的精確度值。
[00"] 2、Fabonacci法對改進曲線擬合算法的優(yōu)化
[0100] 用改進的曲線擬合算法擬合出來的效果是較好的，但卻不一定是最佳的。因此，可 在改進的曲線擬合算法的基礎(chǔ)之上，采用Fabonacci法進一步的優(yōu)化已求出的各項系數(shù)，使 其更加接近最優(yōu)值，以y = ao+aix+a2X2+. . .+anxn為例，首先要求出an的取值區(qū)間（初始區(qū) 間），然后采用Fabonacci法對其取值區(qū)間進行優(yōu)化，確定出最佳值。在此最佳值條件下，求 出au的最佳值。按此方法逐一求出其他系數(shù)的最佳值。
[0101] 算法步驟如下：
[0102] am的初始區(qū)間[Ai，Bi]的算法
[0103]設(shè)第j個離散點與擬合曲線上對應(yīng)值的偏差為
[0105]根據(jù)上式可以求出，n個離散點中的最大正偏差點)和最大負偏差點 ),則第m次方系數(shù)&"的初始區(qū)間[&，]為

[0108] 最佳系數(shù)
[0109] Fabonacci法適應(yīng)于單峰函數(shù)，因此必須先判斷ai在初始區(qū)間[Ai，Bi]是單峰函數(shù)。 根據(jù)單峰函數(shù)的定義知道，求出的最佳aT就是在區(qū)間[AiA]中的近似極小(大)值，即 &1在 [A^aT]區(qū)間應(yīng)嚴格遞減（增），在[a^Bi]上應(yīng)嚴格遞增（減）。判斷ai為單峰函數(shù)后，采用 Fabonacci法對其進行優(yōu)化。
[0110]常系數(shù)ao的算法
[0111]根據(jù)最佳擬合曲線的最大正、負偏差的絕對值近似相等，則偏差取兩者之和的一 半，即
[0113]由此可得最佳常系數(shù)為
[0115] 3、毒性物質(zhì)成分與濃度的預(yù)測
[0116] 為實現(xiàn)毒性物質(zhì)種類和濃度的預(yù)測，利用得到的改進擬合曲線y結(jié)合本系統(tǒng)的專 家系統(tǒng)，進行曲線匹配。分別得到改進擬合曲線的擬合系數(shù)B與專家系統(tǒng)中發(fā)光菌與不同種 類、濃度的毒性物質(zhì)各反應(yīng)機理曲線的擬合系數(shù)A，求取擬合系數(shù)B與各擬合系數(shù)集A之間 的距離，系數(shù)最小的將為所預(yù)測的毒性物質(zhì)。
[0117] 上述結(jié)果信息，用戶可以通過客戶端進行查詢?？蛻舳?服務(wù)器以圖表、曲線等方 式呈現(xiàn)給用戶，為管理人員監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析、決策提供依據(jù)。在客戶端中，用戶只能對當前檢 測、毒性物質(zhì)庫以及歷史檢測的查看。登錄之后，會自動下載服務(wù)器業(yè)務(wù)中的信息到客戶 端，從而實現(xiàn)用戶的查看?；贏ndroid系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)，屬于用戶前端功能。其功能主要 有:實現(xiàn)分析儀的檢測、科普知識、個人中心、系統(tǒng)配置、用戶互動、搜索、綁定等。
[0118] 通過水質(zhì)生物毒性在線分析儀數(shù)據(jù)采集得到發(fā)光菌在待測的廢水中不同時間點 對應(yīng)的發(fā)光菌發(fā)光強度數(shù)值，并結(jié)合改進的曲線擬合算法，繪制圖形，如圖5所示。
[0119] 這里同樣由于x= 1:1: 50，其跨度較大，因此將令t = (x-51 )/51，自變量的取值范 圍為[-1，1]，在圖5中，其橫坐標的取值范圍為[-1，0]，因此得到的預(yù)測模型為：
[0120] y (t) =6641.463t10+29039.504t9+54058.737t8+55957.231t 7+35297.68t6
[0121] +13988.965t5+3466.473t4+518.092t 3+43.192t2+l.614t+l.243
[0122] =0.41586yi+0.5724y2
[0123]其中wi = 0.41586，W2 = 0.5724使得到的擬合曲線最接近真實曲線。
[0124] 擬合的曲線值與對應(yīng)的真實值的誤差為：
[0125] 由圖5可以看出，最小二乘的擬合曲線較平坦，形態(tài)相似準則的擬合曲線很好地反 應(yīng)了真實曲線的變化和抖動情況，但是在數(shù)值的精度擬合上不足，而改進的擬合曲線擬合 效果最好。改進算法是兩種曲線擬合思想的結(jié)合，算法思想是保持與真實曲線形態(tài)相吻合 的同時數(shù)值也相近，這種算法思想在更加復(fù)雜的曲線中更具優(yōu)勢，且體現(xiàn)出發(fā)光菌的生命 活性受到時間影響因子的影響。據(jù)圖可看出，最小二乘的擬合曲線較平坦，形態(tài)相似準則 的擬合曲線很好地反應(yīng)了真實曲線的變化和抖動情況，但是在數(shù)值的精度擬合上不足，而 改進的擬合曲線擬合效果最好。改進算法是兩種曲線擬合思想的結(jié)合，算法思想是保持與 真實曲線形態(tài)相吻合的同時數(shù)值也相近，這種算法思想在更加復(fù)雜的曲線中更具優(yōu)勢，且 體現(xiàn)出發(fā)光菌的生命活性受到時間影響因子的影響。
[0126] 由于powell算法在迭代時前n個搜索方向必須線性無關(guān)，否則將沒有最優(yōu)解的問 題，因此powe 11算法失效，在改進算法中利用權(quán)重值能有效避免powe 11算法的不足。當y (x) =wiyi(x)+W2y2(x)中W2很小時，此時改進的曲線擬合算法將為最小二乘法y(x) =wiyi(x)+k (其中k為很小的數(shù)值），避開了 powell算法無最優(yōu)解在改進算法中的不足。
[0127] 在改進曲線算法中，利用精確度來確定兩個公式的權(quán)重，利用powell算法的計算 速度快的特點，提高了改進算法的擬合速度。
[0128] 以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當指出，對 于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進行 若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍內(nèi)。對這些實施例的 多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說是顯而易見的，本申請中所定義的一般原理可以在 不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于 本申請所示的這些實施例，而是要符合與本申請所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的 范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種水質(zhì)綜合生物毒性遠程自動分析儀，其特征在于，包括水質(zhì)綜合生物毒性分析 裝置、數(shù)據(jù)發(fā)送裝置以及數(shù)據(jù)接收和顯示裝置，其中，水質(zhì)綜合生物毒性分析裝置用于監(jiān)測 采樣液中的有毒物質(zhì)對生物發(fā)光桿菌發(fā)光強度的抑制程度;所述數(shù)據(jù)發(fā)送裝置用于將發(fā)光 強度信息以無線的方式發(fā)送給設(shè)置在遠端的數(shù)據(jù)接收和顯示裝置，所述數(shù)據(jù)接收和顯示裝 置對發(fā)光強度信息進行數(shù)據(jù)處理后確定污水毒性的污染等級，并將結(jié)果信息顯示出來； 所述水質(zhì)綜合生物毒性分析裝置包括儀器殼體、發(fā)光菌的培植單元、發(fā)光菌發(fā)光強度 采集和存儲單元、發(fā)光菌發(fā)光強度傳輸單元，數(shù)據(jù)接受單元和數(shù)據(jù)顯示單元。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水質(zhì)綜合生物毒性遠程自動分析儀，其特征在于，所述數(shù)據(jù)接 收和顯示裝置對發(fā)光強度信息進行數(shù)據(jù)處理后確定污水毒性的污染等級包括以下步驟： 步驟1:通過基于數(shù)值相近原則的曲線擬合算法對發(fā)光強度信息進行數(shù)據(jù)處理，即利利 用最小二乘解法得到曲線擬合的參數(shù)方程:X=[ATArVB，得到模型71，并求出精確值； 步驟2:通過基于形態(tài)相似原則的曲線擬合算法對發(fā)光強度信息進行數(shù)據(jù)處理： (1)設(shè)時間影響因子為A，反應(yīng)發(fā)光菌活性受存活時間的量。設(shè)形態(tài)相似擬合曲線為:y2 (x) =ao+aix+a2X2+. . ,+anXn；(3) 構(gòu)造出帶參數(shù)的增廣目標函數(shù)，當滿足約束條件時，等號兩邊成立；當不滿足約束 條件范圍時，取一個充分大的數(shù)U>0,構(gòu)造如下的函數(shù)：/^.max{A =/⑷ 中 a = {ai，a2，? ? ?，an，入}; (4) 通過powe 11算法的求解函數(shù)極值： 步驟a:選定初始點x(())，n個線性無關(guān)的向量組，組成初搜索方向組{p'p1，... V，。給 定精度￡>〇,置k = 0; 步驟b:令y*3 = xk，依次沿{p*3，p1，--p1^ 1}中的方向進行一堆搜索， 對應(yīng)得到輔助迭代點y1，，，... .yn，即式中Pj-i為沿pH方向的步長； 步驟c:構(gòu)造加速方向，令Pn=yn-yQ，若I |pn| |彡￡，則停止迭代，輸出xk+1 = yn，否則轉(zhuǎn)步 驟d; 步驟d:確定調(diào)整方向：求出m，使得 f(ym_1)-f(ym)=max{ | f (ym_1)-f (ym) | l^j^n} 若下式成立： f(y0)-2f(yn)+f(2yn-y°)<2[f(y m_1)-f(ym)], 轉(zhuǎn)到步驟d)，否則轉(zhuǎn)步驟e); 步驟 同時，令{p'p1，? ...p11-Uk+F {p0, ? ? ?，pm-^p1^1，? ? ? .pn-轉(zhuǎn)步驟b); 步驟f:令xk+1 = yn，置k = k+l轉(zhuǎn)步驟b; (5)通過powell算法，求出ai，a2,......,an，考慮到ao為直流分量，不會影響擬合曲線的 形態(tài)，代入式y(tǒng)2(x)=ao+aix+a2X2+. ? .+anxn中，采用最小二乘法求ao,得至丨」基于開多態(tài)相似準則 的曲線擬合算法y2。利用相關(guān)系數(shù)公式求出精確度：步驟3:從以上的兩個步驟，分別得出曲線擬合模型yi，y2,構(gòu)造改進的曲線擬合模型為： y(x) =wiyi(x)+W2y2(x)，其中0〈wi<l，0〈W2<1，wiW2依據(jù)求出的精確度值； 步驟4:采用Fabonacci法進一步的優(yōu)化已求出的各項系數(shù)，使其更加接近最優(yōu)值； 具體步驟如下： 1) 設(shè)第j個離散點與擬合曲線上對應(yīng)值的偏差為根據(jù)上式可以求出，n個離散點中的最大正偏差點和最大負偏差點 (U_，JU,J，則第m次方系數(shù)&?的初始區(qū)間[&，]為2) 先判斷ai在初始區(qū)間[Ai，Bi]是單峰函數(shù)，求出的最佳aT就是ai在區(qū)間[Ai，Bi]中的近 似極小（大）值，即a^U^aT]區(qū)間應(yīng)嚴格遞減（增），在[aTA]上應(yīng)嚴格遞增（減），采用 Fabonacci法對其進行優(yōu)化； 3) 根據(jù)最佳擬合曲線的最大正、負偏差的絕對值近似相等，則偏差取兩者之和的一半， 即由此可得最佳常系數(shù)為步驟5:利用得到的改進擬合曲線y結(jié)合本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中預(yù)存的專家系統(tǒng)，進行曲線匹 配，分別得到改進擬合曲線的擬合系數(shù)B與專家系統(tǒng)中發(fā)光菌與不同種類、濃度的毒性物質(zhì) 各反應(yīng)機理曲線的擬合系數(shù)A，求取擬合系數(shù)B與各擬合系數(shù)集A之間的距離，系數(shù)最小的將 為所預(yù)測的毒性物質(zhì)。
【文檔編號】G01N21/76GK106053438SQ201610301333
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月7日
【發(fā)明人】黃靜
【申請人】浙江理工大學(xué)